Multifunctional UV-filters: synthesis and evaluation of PBSA-inspired benzothiazole derivatives with antioxidant, antiproliferative and anti-inflammatory potential

Di recente, farmaci ad attività “multifunzionale” stanno emergendo come una nuova frontiera per il trattamento di condizioni patologiche multifattoriali gravi e complesse, ponendosi come obbiettivo il miglioramento delle probabilità di successo nel modulare la patologia nel suo insieme grazie ad un targeting su più livelli del decorso della malattia stessa. Tali composti sono classificati come singole entità molecolari dotate di due o più attività biologiche rilevanti, in grado di assicurare un migliore indice terapeutico, grazie ad una azione di tipo sinergico, e ridotti effetti collaterali. Ad oggi, le neoplasie della pelle figurano fra le più rappresentate all’interno delle patologie multifattoriali, con il più elevato tasso di incidenza fra tutte le tipologie di cancro esistenti, previsto altresì in aumento nei prossimi decenni. Il principale fattore eziologico, responsabile del drammatico incremento di diagnosi in questo ambito, è l’esposizione alla radiazione UV, la quale non solamente si configura come un agente mutageno diretto, ma è in grado altresì di provocare danni alla cute attraverso vie indirette, come la formazione di ROS indotta dalla radiazione UVA e processi infiammatori cutanei innescati dai raggi ultravioletti. Oggigiorno, la prima linea di difesa è rappresentata da una corretta applicazione di filtri solari, ovvero composti chimici o fisici in grado di assorbire la radiazione UV che possano schermare l’epidermide dagli effetti deleteri di questo tipo di radiazione. Uno dei principali svantaggi riguardo i filtri solari approvati al giorno d’oggi nel mondo è la mancanza di una capacità filtrante “ad ampio spettro” accoppiata ad una attività antiossidante del filtro stesso, un profilo di attività che risulta altamente desiderabile per il raggiungimento di un elevato livello di protezione e per contrastare lo sviluppo di patologie legate alla cute. Scopo di questo progetto è stata la ricerca e l’identificazione di un potenziale agente terapeutico in grado di esplicare attività biologiche multiple in maniera sinergica, e di svolgere un significativo ruolo nella prevenzione e nel trattamento di patologie complesse a carico della cute causate dalla radiazione UV: per tale proposito, ventiquattro composti sono stati sintetizzati, caratterizzati a livello chimico fisico e valutati per le loro attività biologiche, con particolare focus sulle attività di tipo fotoprotettivo, antiossidante, antiproliferativo ed anti-infiammatorio. I prodotti finali sono stati progettati attraverso modifiche strutturali e sostituzione bioisosterica a partire dal PBSA (2-Phenyl-Benzimidazol-5-Sulphonic Acid), un filtro solare UVB approvato, sicuro ed efficace, eletto a composto di partenza per via della struttura chimica facilmente modificabile. I parametri fotoprotettivi di tali composti sono stati ottenuti attraverso analisi e tecniche spettrofotometriche, mentre l’attività antiossidante è stata quantificata con l’ausilio di tre differenti test (FRAP, DPPH, ORAC). Il potenziale antiproliferativo è stato valutato nei confronti di linee cellulari umane di melanoma Colo38 e di cheratinociti immortalizzati HaCat, mentre i test di attività antinfiammatoria sono stati condotti per determinare l’inibizione di enzimi pro-infiammatori coinvolti nella sintesi di mediatori lipidici, sia in cellula che in condizioni cell-free. I composti sintetizzati 8, 10 e 12, appartenenti alla classe dei derivati benzotiazol-idrazonici, hanno mostrato eccellenti proprietà in tutti i test biologici condotti in questo lavoro, evidenziando più che favorevoli parametri di fotoprotezione, fotostabilità e attività di tipo booster, confermandosi come promettenti filtri UV multifunzionali dotati di attività biologiche multiple per il trattamento di patologie dermo-correlate.

Multifunctional compounds are emerging as a new frontier for the treatment of complex and severe multifactorial pathological conditions, in order to target more than one locus of insult in a disease pathway to have better success at modulating the illness as a whole. Multifunctional compounds are single molecular entities endowed with two or more biological actions, and are able to provide improved therapeutic index, due to synergistic actions, and lower side effects. Skin cancers are among the most recurrent multifactorial disease known to date, with the highest incidence rate between all types of neoplasia which is expected to increase in the next decades. The main etiological factor driving the dramatic diagnosis increase is the UV radiation exposure, which is not only a direct mutagenic agent, but is proved to induce skin-related damages also through indirect pathways, such as UVA-induced ROS formation and skin inflammatory processes triggered by UV rays. Today, the first line of defence is the correct application of sunscreens, physical or chemical UV absorbers that could shield the epidermis from the harmful effects of those rays. The main drawback regarding currently approved sunscreen worldwide is the lack of a broad-spectrum filtering capacity coupled with an antioxidant activity, a profile that is desirable in order to reach a full level of protection and prevent or counteract UV-related skin damages. In this work, the research of a single molecule endowed with multiple activities, able to synergistically contribute to treatment and prevention of UV-related complex skin diseases, like skin cancers, was carried out and twenty-four compounds were synthesized, characterized and biologically evaluated for their photoprotective, antioxidant, antiproliferative and anti-inflammatory activity. The products were designed by bioisosteric substitution and chemical space modification starting from lead compound PBSA (2-Phenyl-Benzimidazol-5-Sulphonic Acid), an already approved, safe and effective UVB filter taken as starting point for its easily editable structure. Spectophotometric techniques were used to evaluate photoprotective parameters, while antioxidant capacity was quantified through three different tests (FRAP, DPPH, ORAC). The antiproliferative potential of the candidates was evaluated towards human melanoma cell lines Colo38 and human immortalized keratinocytes HaCat, while anti-inflammatory tests were carried out to evaluate the inhibition of proinflammatory enzymes involved in lipid mediators’ formation, both in cell-based and in cell-free environment. Compounds 8, 10 and 12, belonging to the benzothiazol-hydrazones class, performed very well displaying excellent activities in all the tests conducted and exhibiting favourable photoprotective parameters in terms of UV filtration, photostability and booster activity, standing as promising multifunctional UV-filters with multiple activities for dermo-related applications.